Page 30 - 《精细化工》2023年第11期

·2342· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

愈合、高机械、强黏附性和耐冻性，在电子产品和 同时优异的力学和保水性能为制造可拉伸和高性能
生物材料有着潜在的应用价值，近年来，基于纤维 的湿度传感器提供了新的前景。FU 等 [54] 通过分子水
素基导电水凝胶设计的传感器、电容器、电池、生 平的多重动态交联作用（MMDI）在双醛 TEMPO
物组织等引起了相关科研工作者的广泛关注 [50] 。 氧化纳米纤化纤维素（DATNFC）基础上设计了一
3+
3.1 传感器 种自修复、可回收和导电的明胶/DATNFC/Fe 水凝
随着技术的发展，智能化时代已经到来，传感 胶（GDIH）基应变传感器（图 5b），GDIH 与纯明
器在日常生活中层出不穷，由 C-ECH 组成的柔性 胶水凝胶相比，拉伸强度和抗压强度显著增加，且
可穿戴传感器具有良好生物相容性、可降解以及生 有着优异的压缩应力（1310 kPa）、自愈能力和导
物无毒性等优点，在电子皮肤、健康监测和人机界 电性。GDIH 组装的多功能应变传感器，具有高应
面等领域正在迅速地发展 [51-52] 。但 C-ECH 制备的 变灵敏度（GF=2.24）和压缩灵敏度（S=1.14 kPa），
传感器存在一些问题，如水凝胶中的水在低温条件 可用于制造电子皮肤并准确识别检测微小变形引起
下容易冻结，对水凝胶的柔性和导电性能产生影响。 的电生理信号，具有传感稳定性和快速压缩响应时
此外，水凝胶力学性能、黏附性能以及自愈合性能 间（200 ms）。WANG 等 [58] 构建了一种非对称双层
都会影响水凝胶传感器的使用寿命和灵敏度 [53-56] 。 水凝胶（QHEC、LS）的自供电压力传感器（图 5c），
因此，不同功能的 C-ECH 在传感器的应用中至关 将碳布连接水凝胶的上下层，通过输出电压的变化，
重要。 对压力刺激做出快速响应（100 ms），由该水凝胶
针对以上问题，YU 等 [57] 设计了一种具有抗冻、 制成的能量收集鞋垫，可以有效地收集人类跑步过
抗脱水、高导电性及优异机械性能的纳米纤维素 程中的机械能量，在可穿戴电子产品中具有显著优
（NC）复合水凝胶柔性湿度传感器（图 5a），获得 势。
的 CNF/CaCl 2 /山梨醇水凝胶（CS-NC）具有高电导 目前，基于 C-ECH 传感器解决了广泛温度适应
率（~10 mS/cm）、显著的抗冻性（–50 ℃）和持久 性、信号稳定性、机械强度和传感之间长期存在的
的保水能力（超过 90%的质量保留率），且拉伸 100 挑战。但在众多由 C-ECH 组成的传感器中，主要集
次后仍具有稳定的导电性。由该水凝胶组装的可伸 中在压力传感器和湿度传感器的应用，这限制了
缩的湿度传感器表现出宽湿度检测范围（23%~97% C-ECH 传感器的广泛应用，随着对 C-ECH 的不断
相对湿度），可以实时监测人类呼吸并做出快速反 研究，应当拓宽刺激响应范围，在液体泄漏的检测、
应（响应时间为 0.52 s，恢复时间为 2.15 s）。该研 热敏电阻、蒸汽传感器、生物传感器、化学传感等
究解决了水凝胶传感器在低温环境下冻结的弊端， 具有潜在的研究价值。

图 5 基于 CS-NC 水凝胶的传感器（a） [57] ；基于 GDIH 水凝胶的传感器（b） [54] ；基于 QHEC、LS 双层水凝胶的传
感器（c） [58]
Fig. 5 CS-NC hydrogel-based sensor (a) [57] ; QHEC and LS bilayer hydrogel-based sensor (b) [54] ; GDIH hydrogel-based sensor (c) [58]

3.2 电容器 的发展方向之一，相较于其他材料制备的超级电容
随着储能设备向可持续性和多功能性的不断发 器，基于 C-ECH 的超级电容器在环境友好性、灵活性
展，基于生物质多功能储能设备的发展已成为重要 高、成本低和多功能性方面显示出显著优势 [59-62] 。